JP2008193853A - 直流並列給電装置の過電圧保護装置 - Google Patents

Abstract

【課題】複数の直流電源装置の何れかに電圧が過大となる異常が発生したとき給電母線の電圧を急速に低下させて負荷機器を過電圧から保護すると共に異常な電源装置を切り離して正常な電源装置から負荷機器への給電を短時間の停止後に再開することのできる過電圧保護装置を得る。
【解決手段】直流並列給電装置において母線の電圧を監視し、過電圧を検知したときこの直流母線の両極性の母線間に限流手段を介して短絡して直流母線電圧を低下させる電圧制限手段とこの過電圧保護手段に前記一方極性の複数の母線から流れる各電流を検出して両電流の相互の関係から過電圧異常の発生している直流電源装置を判別し、異常の発生している直流電源装置へ直流母線から遮断する指令を出す過電圧判別手段とを設ける。
【選択図】図２

Description

この発明は、複数の直流電源装置から並列に共通の負荷に直流母線を介して給電するようにした直流並列給電装置において、負荷を過電圧から保護するための過電圧保護装置に関する。

複数の直流電源から共通の負荷に並列に給電する直流並列給電装置としては、従来から特許文献１に示されるような装置が知られている。

この特許文献１に示された給電装置の構成を図３に示す。

図３において、１０は共通の直流母線、１１、１２はこの母線接続された負荷である。特許流母線１０には、２つの直流電源２０および４０から直流電力が並列に給電される。
直流電源２０および４０は、それぞれ交流電源２１および４１と交流電力を直流電力に変換する電力変換器２２および４２とで構成されている。

電力変換器２２と４２は、共通の負荷１１〜１ｎの接続される直流母線１０に並列に接続され、この母線１０を介して負荷に直流電力を供給する。

電力変換器２２および４２からそれぞれ負荷１１および１２に供給する電力は等しいことが望ましい。そのためには、各電力変換器２２と４２との出力電圧を同じ値にすることが必要となる。

そこで、各電力変換器に制御装置３０および５０を設け、それぞれ、電圧検出器３４および５４により電力変換器２２および４２の出力電圧を検出し、加算器３３および５３で求められる電圧設定器３２および５２に設定した電圧設定値と電圧検出値との偏差を電圧調節器３１および５１に与え、この偏差を零にする制御信号をこれらの電圧調節器３１および５１から取り出す。この制御信号をパルス発生器３５および５５を経て電力変換器２２および４２に与えることにより出力電圧を電圧設定器に設定された電圧設定値に維持することができる。したがって、電圧設定器３２と５２とに同じ設定値を設定することにより両電力変換器の負荷電流を同じにすることが可能となるが、実際には両設定器の設定誤差や、変換器自身および制御装置の特性の僅かな差に起因して負荷電流をバランスさせることが困難である。

そこで、負荷１１〜１ｎと各電力変換器２２および４２との間を流れる電流を電流検出器３６および５６により個別に検出して、それぞれの電力変換器に属する電圧調節器３１および５１に補正信号として逆極性に与える。

これにより電流検出値が大きい方の電力変換器には、電圧が高いので電圧を低下させる制御信号が加えられ、電流検出値が小さい方の電力変換器には電圧が低いので電圧を上昇させる制御信号が加えられることにより、両方の電力変換器の出力電圧が等しくなり、負荷電流を均等に分担して良好に並列運転を行うことができる。

このように、直流電力の並列給電装置においては、各直流電源の出力電圧は、通常は一定に保たれているが、直流電源を構成する電力変換器の主回路、制御装置などのハードウエアの故障、その他の異常により出力電圧が異常に上昇し過大となることがある。このように電圧が過大になると直流母線に接続された多くの負荷機器が損傷する危険がある。

そのため、これまでは、電源装置に個々に、それぞれの出力電圧を監視する過電圧保護装置２５および４５を設け、出力電圧が過大になったことが検出されると、この過電圧保護装置２５および４５から電力変換器２２および４２へ動作停止指令を与えることにより、電力変換器の出力電圧を急速に低減させて負荷機器を過電圧から保護するようにしている。
特開平３−２７７２４号公報

しかしながら、このような従来装置においては、複数の直流電源装置の何れか１つに異常が生じ、その出力電圧が過大となると、直流母線の電圧が上昇するので、異常を発生した電源装置を判別することができず、すべての電源装置の過電圧保護装置が作動し、異常を発生した電源装置以外の正常に動作している電源装置も停止され、直流母線が停電する不都合がある。このため、複数の直流電源装置を備えながら１つの電源装置に過大電圧となる異常が生じた場合、これを切り離して、健全な電源装置から給電を継続することができないので給電の信頼性が低下する問題があった。

この発明は、このような問題を解決して、複数の直流電源装置から並列して給電が行われる直流並列給電装置において、何れかの電源装置に出力電圧が過大となる異常が発生したとき、直流母線の電圧を急速に低下させて負荷機器を過電圧から保護すると共に異常な電源装置を切り離して健全な電源装置から負荷機器への給電を短時間のうちに再開して継続することのできる過電圧保護装置を得ることを課題とするものである。

このような課題を解決するため、この発明は、複数の直流電源装置から共通の負荷の接続された直流母線に並列に給電するようにした直流並列給電装置において、前記直流電源装置から給電される直流母線の一方の極性の母線を直流電源装置と同数設け、各直流電源装置の出力の一方極を各別に直流母線の一方極性の母線に接続すると共に直流電源装置の出力の他方極を直流母線の他方の極性の母線に共通に接続し、前記共通の負荷の一方極を前記直流母線の一方極性の複数の母線にそれぞれダイオードを介して接続し、他方極を他方極性の母線に接続すると共に、前記直流母線の一方極性の複数の母線と他方極性の母線との間の電圧を監視し、過電圧を検知したときこの直流母線の両極性の母線間に限流手段を有する電圧制限回路を接続して母線電圧を低下させる過電圧保護手段と、この過電圧保護手段に前記一方極性の複数の母線から流れる各電流を検出し、これらの電流の相互の関係から過電圧異常の発生している直流電源装置を判別し、異常の発生している直流電源装置に直流母線からの遮断を指令する過電圧判別手段とを設けたことを特徴とする。

ここで、前記過電圧保護手段と直流母線との接続を高速スイッチング手段により開閉するようにするのがよい。

そして、前記過電圧判別手段が、前記直流母線の一方極性の各母線から流れる電流の差から異常の発生している直流電源の判別を行うようにするのがよい。

この発明によれば、複数の直流電源装置から共通の負荷の接続された直流母線に並列に給電するようにした直流並列給電装置において、過電圧保護手段と異常の発生している直流電源装置を判別する手段とを設け、直流母線の一方極性の複数の母線と他方極性の共通の母線との間の電圧が過電圧となったとき、過電圧保護手段によってこれらの母線間に限流手段を備えた電圧制限回路を接続して母線電圧を低減することができると共に、判別手段により、過電圧保護手段に一方極性の各母線から流れる電流の相互の関係から過電圧異常の発生している直流電源装置を判別し、異常の発生している直流電源装置を直流母線から遮断することができるので、直流電源装置に過電圧を発生する異常が生じても、直流母線に接続された負荷の各種の機器を過電圧から保護できるとともに、異常の発生した直流電源装置を直流母線から遮断して、正常に動作している健全な直流電源装置から負荷への給電を短時間の停止後に再開することが可能となる。

この発明の実施の形態を図に示す実施例について説明する。

図１および図２は、何れもこの発明の実施例を示すもので、図１は直流並列給電装置の全体の構成図、図２は、この発明による過電圧保護装置の構成図である。

図１および２において、１は共通の直流母線、２および４は独立した直流電源装置である。直流母線１の正極側には、直流電源装置と同数の２本の正極母線Ｐ１−２およびＰ１−４が、負極側には共通の負極母線Ｎ１が設けられる。電源２、４の負極出力Ｎは共通の負極母線Ｎ１に共通に接続され、そして正極出力Ｐはそれぞれ正極母線Ｐ１−２とＰ１−４にそれぞれ接続される。共通の複数の負荷機器１１〜１ｎはそれぞれ正極端子ＰをそれぞれダイオードＤ１１−２、Ｄ１１−４〜Ｄ１ｎ−２、Ｄ１ｎ−４を介して正極母線Ｐ１−２およびＰ１−４に並列に接続し、負極端子Ｎを共通の負極母線Ｎ１に並列に接続している。

７は、過電圧保護装置であり、その正極端子ＰがそれぞれダイオードＤ７−２およびＤ７−４を介して正極母線Ｐ１−２およびＰ１−４にそれぞれ接続され、負極端子Ｎが負極母線Ｎ１に接続される。

このように構成された直流並列給電装置においては、２つの直流電源２および４からそれぞれダイオードを介して共通の負荷１１〜１ｎに並列に給電され、両直流電源は内蔵した自動電圧調整装置により、出力電圧を等しい所定の電圧に調整することによって各直流電源装置が均等に負荷電流を負担する。

過電圧保護装置７は、図２に詳細を示すように、電流検出回路７１、電圧制限回路７２、母線電圧監視回路７４、過電圧判定回路７８を備えている。

電流検出回路７１は、それぞれダイオードＤ７−２、Ｄ７−４を介して正極母線Ｐ１−２、Ｐ１−４から過電圧保護装置７に引き込まれた２本の導線に流れる電流Ｉ２とＩ４を互いに打消し合う方向で合成して検出する直流変流器ＤＴを備える。この直流変流器ＤＴから得られたＩ２−Ｉ４に比例した検出信号Ｉｓの極性は、Ｉ２＞Ｉ４のとき正、Ｉ２＜Ｉ４のとき負となる。この発明においては、電流Ｉ２とＩ４のどちらが大きいかを判別したいので、電流検出回路７１内に図示しない極性判別回路を設け、検出信号Ｉｓの極性が正のとき論理レベルＨ、負のとき論理レベルＬの出力信号７１ｓを出力するようにしている。

また、電圧制限回路７２は、サイリスタ等で構成された高速スイッチング素子Ｔｈと限流抵抗Ｒ０とを直列接続して構成され、ダイオードＤ７−２とＤ７−４の共通接続点と負極母線Ｎ１との間に接続されている。

電圧監視回路７４は、分圧抵抗Ｒ１，Ｒ２と、電圧設定器Ｒ０と、比較器ＣＰＰと、この比較器ＣＰＰの出力信号に応じて高速スイッチング素子Ｔｈに導通信号を与える導通信号発生回路Ｔとを備えている。分圧抵抗Ｒ１，Ｒ２はダイオードＤ７−２とＤ７−１の共通接続点と負極母線Ｎ１との間に接続され、正極母線Ｐ１−２、Ｐ１−４と負極母線Ｎ１に加わる直流電源装置２，４から加わる母線電圧を分圧し、分圧した電圧を比較器ＣＰの比較端子＋に加える。比較器ＣＰの基準端子−に加えられる基準電圧Ｅｓは、電圧設定器Ｒｓ１，Ｒｓ２により母線電圧の定格電圧より例えば１０％程度高い値に設定する。比較器ＣＰは、常に比較端子に加えられる母線電圧Ｅ_Lを設定電圧Ｅｓと比較して、母線電圧Ｅ_Lが設定電圧Ｅｓを越えていないかどうかを監視し、Ｅ_L＞Ｅｓとなったとき、母線電圧Ｅ_Lが過大となったことを示すために検出信号７４ｓを論理レベルＬからＨへ変化させる。導通信号発生回路Ｔは、検出信号７４ｓがＬからＨに変換したとき導通信号Ｔｓを発生し、電圧制限回路７２のスイッチング素子Ｔｈに導通信号を与え、これを導通させる。

過電圧判定回路７８は、２つのアンドゲートＡ２、Ａ４と１つのノットゲートＮ４とを備える。アンドゲートＡ２とＡ４の一方の入力端子には電圧監視回路７４の出力信号７４ｓが加えられ、他方の入力端子に電流検出回路７１の出力信号７１ｓが直接またはノット回路Ｎ４を介して加えられる。アンドゲートＡ２の出力は、図１の直流電源装置２への遮断指令信号ＳＤ２となり、アンドゲートＡ４の出力は直流電源装置４への遮断指令信号ＳＤ４となる。

次に、このように構成されたこの発明の実施例装置の動作を説明する。

直流電源装置２と４が正常に動作しているときは、両方の電源装置の出力電圧が所定の等しい定格電圧に保たれているため、正極母線Ｐ１−２とＰ１−４から各負荷に供給される電流は等しく両方の電源装置が負荷電流を等しく分担する。そして過電圧保護装置７にもダイオードＤ７−２およびＤ７−４を介して加わる正極母線Ｐ１−２およびＰ１−４の電圧も定格電圧であるため、比較器ＣＰの出力はＬレベルとなっている。これにより導通信号発生回路Ｔの導通信号７４Ｔが停止されているので、過電圧制限手段７２のスイッチング素子Ｔｈは非導通となり、電流検出回路７１には電流が流れない。

過電圧判別回路７８には、電圧監視回路７４からＬレベルの信号７４ｓが加わっているのでアンドゲートＡ２、Ａ４から出力される遮断指令信号ＳＤ２、ＳＤ４はＬレベルとなっている。このため、直流電源装置２、４は遮断されることなく運転を継続する。

今、何らかの故障により直流電源装置２から電圧監視回路７４の設定電圧Ｅｓを越える出力電圧が発生され、正極母線Ｐ１−２の電圧が過大になったものとする。このように正極母線Ｐ１−２の電圧が過大になると、電圧監視手段７４の接続されたダイオードＤ７−２とＤ７−４の共通接続点の電圧が上昇し、分圧器Ｒ１、Ｒ２から比較器ＣＰの比較端子＋に加えられる比較電圧Ｅ_Lが基準端子−に加えられた設定電圧Ｅｓより大きくなるため、比較器ＣＰの出力信号７４ｓがＨレベルとなって母線電圧が過大になったことが検知される。これだけでは、２つの直流電源装置の何れが過電圧異常となっているかの判別はできない。

比較器ＣＰの出力信号７４ｓがＨレベルとなると、直ちに導通信号発生回路Ｔが導通信号Ｔｓを発生して、電圧制限回路７２のスイッチング素子Ｔｈに与えるので、このスイッチング素子Ｔｈが導通し正極母線Ｐ１−２およびＰ１−４と負極母線Ｎ１間が限流抵抗Ｒ０を介して短絡されるため、限流抵抗Ｒ０によって母線電圧が負荷１１〜１ｎの許容電圧より低い電圧まで低下され過電圧状態が解消される。そしてこのとき正極母線Ｐ１−２、Ｐ１−４から限流抵抗Ｒ０を通して電流Ｉ２、Ｉ４が流れる。正極母線Ｐ１−２の電圧が過大となっているので、電流Ｉ２とＩ４はＩ２＞Ｉ４の関係にあるため、Ｉ２−Ｉ４の合成電流Ｉｓは正となり、電流検出器７１からは、Ｈレベルの出力信号７１ｓが出力され、過電圧判定回路７８のアンドゲートＡ２に直接、アンドゲートＡ４にノットゲートＮを介して加えられる。

これによって、過電圧判定回路７８のアンドゲートＡ２の２つの入力がＨレベルとなって、直流電源装置２に過電圧異常が発生したことが判別される。このアンドゲートＡ２の出力の遮断指令信号ＳＤ２がＨレベルとなり、過電圧異常となった直流電源装置２に与えられることによりこの直流電源装置２が遮断される。これによって母線１の過電圧は完全に解除されるとともに、直流電源装置４は過電圧保護回路７に通常の出力電流を上回る大きな電流を供給することになるので、過電流保護検出による停止となる。この後、直流電源回路２が異常であることが判明しているため、直流電源装置４を再起動することにより、母線電圧は所定の定格電圧に戻る。負荷１１〜１ｎへの給電は、正常に動作している直流電源装置４から行われるので負荷１１〜１ｎは短時間のうちに再開して継続して運転することができる。

この過程で母線１の過電圧が解除されるとともに、直流電源装置４が一旦出力停止することにより、電圧監視回路７４の出力信号７４ｓはＬレベルに戻るため、導通信号発生回路Ｔで発生される導通信Ｔｓ号が停止され、電圧制限回路７２のスイッチング素子Ｔｈが不導通となって電圧制限回路７２が母線１から切り離され、電圧制限機能が除かれる。

直流電源装置４に過電圧異常が発生した場合は、電圧制限回路に流れる電流がＩ２＜Ｉ４となって、過電圧判定手段のアンドゲートＡ４から出力される遮断司令信号ＳＤ４がＨレベルとなり、直流電源装置４に与えられるようになるため、この過電圧異常を発生している直流電源装置４が遮断され母線１の過電圧が解消されるようになる。

このようにこの発明によれば、複数の直流電源装置から負荷の接続された共通の直流母線に並列に給電するようにした直流並列給電装置において、１つの直流電源装置の出力電圧が過電圧となる異常が発生した場合、この過電圧を検出して電圧制限回路により母線電圧を負荷の許容する電圧以下の電圧に制限すると共に、過電圧判別回路により過電圧を発生している直流電源装置を判別し、判別された直流電源装置を遮断開放するようにしているので、直流母線の過電圧を短時間で解消することができると共に、健全な直流電源装置から負荷への給電を短時間の停止後に再開することができる。したがって直流並列給電装置における負荷を過電圧から保護できると共に直流並列給電装置の信頼性が向上する。

この発明の実施例による直流並列給電装置の全体示す構成図である。 この発明に使用する過電圧保護装置の詳細を示す構成図である。 従来の直流並列給電装置を示す構成図である。

符号の説明

１：直流母線
Ｐ１−２、Ｐ１−４：正極母線
Ｎ１：負極母線
２、４：直流電源装置
７：過電圧保護装置
７１：電流検出器
７２：電圧制限回路
７４：電圧監視回路
７８：過電圧判別回路
１１〜１ｎ：負荷
Ｄ７−２、Ｄ７−４〜Ｄ１ｎ−２、Ｄ１ｎ−４：ダイオード

Claims (3)

1. 複数の直流電源装置から共通の負荷の接続された直流母線に並列に給電するようにした直流並列給電装置において、前記直流電源装置から給電される直流母線の一方の極性の母線を直流電源装置と同数設け、各直流電源装置の出力の一方極を各別に直流母線の一方極性の母線に接続すると共に直流電源装置の出力の他方極を直流母線の他方の極性の母線に共通に接続し、前記共通の負荷の一方極を前記直流母線の一方極性の複数の母線にそれぞれダイオードを介して接続し、他方極を他方極性の母線に接続すると共に、前記直流母線の一方極性の複数の母線と他方極性の母線との間の電圧を監視し、過電圧を検知したときこの直流母線の両極性の母線間に限流手段を有する電圧制限回路を接続して母線電圧を低下させる過電圧保護手段と、この過電圧保護手段に前記一方極性の複数の母線から流れる各電流を検出し、これらの電流の相互の関係から過電圧異常の発生している直流電源装置を判別し、異常の発生している直流電源装置に直流母線からの遮断を指令する過電圧判別手段とを設けたことを特徴とする直流並列給電装置の過電圧保護装置。
2. 請求項1記載の装置において、前記過電圧保護手段と直流母線との接続を高速スイッチング手段により開閉することを特徴とする直流並列給電装置の過電圧保護装置。
3. 請求項１または２に記載の装置において、前記過電圧判別手段が、前記直流母線の一方極性の各母線から流れる電流の差から異常の発生している直流電源の判別を行うようにすることを特徴とする直流並列給電装置の過電圧保護装置。

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